JP2008270604A - Compound semiconductor solar cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化合物半導体太陽電池に関し、より詳しくは、III−V族化合物半導体太陽電池に関する。 The present invention relates to a compound semiconductor solar cell, and more particularly to a group III-V compound semiconductor solar cell.
近年、III−V化合物半導体を材料とする太陽電池(以下、III−V族化合物半導体太陽電池と称する)は、高効率である特徴を生かして、宇宙用あるいは集光用として用いられるようになっている。 In recent years, solar cells made of III-V compound semiconductors (hereinafter referred to as III-V group compound semiconductor solar cells) have come to be used for space use or light collection, taking advantage of their high efficiency. ing.
III−V族化合物半導体太陽電池においては、光電変換層のバンドギャップに相当する光より長波長の光を透過させ、上記太陽電池を透過した長波長光を吸収するバンドギャップが小さい別の太陽電池と組み合わせてスタック型の太陽電池を構成することができるようにするため、当該光電変換層の厚さをμmオーダーまで薄くすることが求められる。 In the group III-V compound semiconductor solar cell, another solar cell having a small band gap that transmits light having a longer wavelength than the light corresponding to the band gap of the photoelectric conversion layer and absorbs the long wavelength light transmitted through the solar cell. In order to be able to configure a stack type solar cell in combination with the above, it is required to reduce the thickness of the photoelectric conversion layer to the order of μm.
図9は、光電変換層を薄くした、従来のIII−V族化合物半導体太陽電池の一例を示す概略断面図である。図9に示される太陽電池は、p−InGaPからなるベース層901およびn−InGaPからなるエミッタ層902から構成される光電変換層、表面側に形成されたn−GaAsからなるコンタクト層903、および裏面側に形成されたp+−GaAs/n+−GaAsからなるトンネル接合層904を有している。コンタクト層903およびトンネル接合層904は、パッド部分と櫛型状部分とそれらを連結するバー状領域を残してエッチング除去されており、これらの上には、たとえばAuGe/Ni/Au/Ag/Auで電極905、906がそれぞれ形成されている。また、電極905および電極906のパッド部分には、それぞれインターコネクター907、908が溶接され、表面側はシリコン系の樹脂等によりカバーガラス909が接着されている。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional III-V group compound semiconductor solar cell in which the photoelectric conversion layer is thinned. The solar cell shown in FIG. 9 includes a photoelectric conversion layer composed of a
図9に示される構造の太陽電池は、通常、図10に示される方法で製造される。まず、GaAsからなる基板1001上に、n−InGaPからなるエッチングストップ層1002、p+−GaAs/n+−GaAsからなるトンネル接合層904、p−InGaPからなるベース層901およびn−InGaPからなるエミッタ層902およびn−GaAsからなるコンタクト層903をこの順に形成する(図10(a))。次に、コンタクト層903上に、レジスト1003を塗布した後(図10(b))、櫛形状の電極にするために、フォトリソグラフィーにより、レジスト1003の一部を残す(図10(c))。ついで、アンモニア系のエッチング液でレジスト1003下のコンタクト層903をエッチングする(図10(d))。この時、下地のエミッタ層902は、アンモニア系ではエッチングされないため、コンタクト層903がエッチングされればエッチングは自動的に止まる。
The solar cell having the structure shown in FIG. 9 is usually manufactured by the method shown in FIG. First, an
次に、適当な有機溶剤を用いてレジストを除去し(図10(e))、再度全面にレジスト1004を塗布する(図10(f))。再度のフォトリソグラフィーにより、コンタクト層903が残っている櫛形状の領域に合わせてレジストを抜く(図10(g))。ついで、その上から、表面電極905となる金属、たとえばAu、Ge、Ni、Au、Ag、Auをこの順に蒸着し(図10(h))、リフトオフによりレジスト1004上に蒸着された表面電極905をレジスト1004ごと除去し、コンタクト層903上に目的の電極を残して形成する(図10(i))。以上のプロセスによりコンタクト層903と表面電極905が形成される。なお、必要に応じて表面電極905は、熱処理を行ない、アロイ化して抵抗を下げるプロセスを追加することがある。
Next, the resist is removed using an appropriate organic solvent (FIG. 10E), and a
次に、表面電極905のパッド部分にインターコネクター907を溶接した後にシリコン系の樹脂でカバーガラス909に表面側を貼り付ける(図10(j))。その後、アンモニア系のエッチング液を用いて、基板1001を全面エッチングする(図10(k))。このとき、エッチングストップ層1002でエッチングは止まる。その後、HCl系のエッチング液でエッチングストップ層1002を除去し、n+−GaAsからなるトンネル接合層904のn+−GaAs層を露出させる(図10(l))。その後は、表面電極905を形成した際と同様のプロセスにより、トンネル接合層を櫛型状にするとともに、この裏面側にも櫛型状の電極906を、たとえばAuGe/Ni/Au/Ag/Auを用いて形成し、パッド部分に裏側のインターコネクター908を溶接して、図9に示される太陽電池を得る(図10(m))。
Next, after the
このように、従来コンタクト層は、GaAsを用いて形成されるのが通常であるが(たとえば、特許文献1)、コンタクト層やトンネル接合層にGaAsを用いた場合、GaAsは、光電変換層を構成するInGaPよりバンドギャップが小さく、InGaPで吸収されるべき波長帯の光がGaAsで吸収されてしまい発電に寄与されなくなることから、コンタクト層およびトンネル接合層を櫛型状にエッチングする必要があった。 As described above, the conventional contact layer is usually formed using GaAs (for example, Patent Document 1). However, when GaAs is used for the contact layer and the tunnel junction layer, GaAs has a photoelectric conversion layer. Since the band gap is smaller than that of InGaP, and light in the wavelength band that should be absorbed by InGaP is absorbed by GaAs and does not contribute to power generation, it is necessary to etch the contact layer and the tunnel junction layer in a comb shape. It was.
しかし、コンタクト層およびトンネル接合層を櫛型状にエッチングすると、最終的に、全面に広がって層を形成しているのは光電変換層のみであり、かつ該光電変換層の厚さはμmオーダー程度と薄いため、基板をエッチング除去するプロセス以降、特にトンネル接合層をエッチングにより櫛型状にするプロセスにおいて、光電変換層が割れたり、しわが寄ったりするという問題があった。
本発明は、本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、プロセス時に発生する光電変換層の割れ等の問題が生じない構造の太陽電池を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of said point, and it aims at providing the solar cell of a structure which does not produce problems, such as a crack of the photoelectric converting layer which generate | occur | produces at the time of a process.
本発明の太陽電池は、主としてIII−V族化合物半導体からなる光電変換層と、該光電変換層上に形成されたコンタクト層と、該コンタクト層の表面の少なくとも一部に形成された電極と、を含む太陽電池であって、該コンタクト層は、主としてGaPからなり、該光電変換層の厚さが2.5μm以下であることを特徴とする。 The solar cell of the present invention includes a photoelectric conversion layer mainly composed of a group III-V compound semiconductor, a contact layer formed on the photoelectric conversion layer, an electrode formed on at least a part of the surface of the contact layer, The contact layer is mainly made of GaP, and the thickness of the photoelectric conversion layer is 2.5 μm or less.
上記光電変換層の厚さと上記コンタクト層の厚さとの合計は、3μm以上であることが好ましい。また、上記光電交換層の厚さは、1〜2μmであることが好ましい。 The total of the thickness of the photoelectric conversion layer and the thickness of the contact layer is preferably 3 μm or more. Moreover, it is preferable that the thickness of the said photoelectric exchange layer is 1-2 micrometers.
上記コンタクト層は、AlxGa1-x-yInyP(0<x≦0.1、0<y≦0.1)からなっていてもよい。 The contact layer may be made of Al x Ga 1 -xy In y P (0 <x ≦ 0.1, 0 <y ≦ 0.1).
また本発明は、上記光電変換層と上記コンタクト層との間に中間層をさらに有し、該中間層のバンドギャップおよび格子定数は、光電変換層のバンドギャップおよび格子定数と、コンタクト層のバンドギャップおよび格子定数との間にあることを特徴とする太陽電池を提供する。 The present invention further includes an intermediate layer between the photoelectric conversion layer and the contact layer, and the band gap and lattice constant of the intermediate layer are the same as the band gap and lattice constant of the photoelectric conversion layer and the band of the contact layer. A solar cell is provided that is between the gap and the lattice constant.
さらに本発明は、上記いずれかの太陽電池(太陽電池(A))に直列接続された太陽電池(B)を有するスタック型太陽電池であって、該太陽電池(B)が有する光電変換層のバンドギャップは、太陽電池(A)が有する光電変換層のバンドギャップより小さいスタック型太陽電池を提供する。 Furthermore, the present invention is a stack type solar cell having a solar cell (B) connected in series to any one of the solar cells (solar cell (A)), wherein the solar cell (B) has a photoelectric conversion layer. The band gap provides a stacked solar cell that is smaller than the band gap of the photoelectric conversion layer of the solar cell (A).
本発明の太陽電池は、光電変換層上に、主にGaPからなるコンタクト層を備えるものである。このような構成によれば、該コンタクト層をエッチングして櫛型状とする必要がなく、したがってコンタクト層を全面にわたって形成できるため、太陽電池製造プロセス時における光電変換層の割れやしわを抑制することができる。 The solar cell of the present invention is provided with a contact layer mainly made of GaP on the photoelectric conversion layer. According to such a configuration, it is not necessary to etch the contact layer into a comb shape, and thus the contact layer can be formed over the entire surface, so that cracking and wrinkling of the photoelectric conversion layer during the solar cell manufacturing process is suppressed. be able to.
以下、実施の形態を示して本発明を詳細に説明する。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る太陽電池の一例を示す概略断面図である。図1に示される太陽電池は、p−InGaPからなるベース層101およびn−InGaPからなるエミッタ層102から構成される光電変換層、表面側に形成されたn−GaPからなるコンタクト層103、および裏面側に形成されたp+−GaAs/n+−GaAsからなるトンネル接合層104を有している。トンネル接合層104は、パッド部分と櫛型状部分とそれらを連結するバー状領域を残してエッチング除去されており、コンタクト層103およびトンネル接合層104の上には、電極105、106がそれぞれ形成されている。また、電極105および電極106のパッド部分には、それぞれインターコネクター107、108が溶接され、表面側はシリコン系の樹脂等によりカバーガラス109が接着されている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a solar cell according to the first embodiment of the present invention. The solar cell shown in FIG. 1 includes a photoelectric conversion layer composed of a
本実施形態においては、上述の図9に示される太陽電池と異なり、コンタクト層103は、n−GaPにより構成されている。n−GaPからなるコンタクト層103は、間接遷移型であり、p−InGaPからなるベース層101およびn−InGaPからなるエミッタ層102から構成される光電変換層より大きなバンドギャップを有しているため、該光電変換層で吸収される波長帯およびそれより長波長帯の光を損失させることなく透過させる。したがって、図9に示されるn−GaAsからなるコンタクト層の場合のように、光が通る領域を残してコンタクト層を櫛型状にエッチングで除去する必要がない。すなわち、コンタクト層としてバンドギャップが大きいGaPを主成分とする材料を用いることにより、表面側の光が透過する部分にコンタクト層が存在していた場合でも、その透過損失を低減できるため、コンタクト層を櫛型状にエッチングする必要がないのである。したがって、光電変換層上にコンタクト層を全面に形成することができ、これにより全面にわたって厚みを増加させることができるため、太陽電池製造プロセス時の割れやしわの発生を抑止することができる。
In the present embodiment, unlike the solar cell shown in FIG. 9 described above, the
本実施形態の太陽電池は、III−V族化合物半導体を主材料とする光電変換層の厚さを十分に薄くして、該光電変換層のバンドギャップに相当する光を吸収して発電すると共に、バンドギャップに相当する光より長波長の光を透過させる機能を有するものである。概して、当該機能を発現させるためには、光電変換層の厚さは、2.5μm程度以下とすることが必要であるが、別の太陽電池を直列(タンデム)接続してスタック型の太陽電池(以下、タンデム型太陽電池ともいう)としたときの当該スタック型太陽電池の変換効率を考慮すると、p−InGaPからなるベース層101およびn−InGaPからなるエミッタ層102から構成される光電変換層の厚さは、1〜2μmとすることが好ましい。この点については後述する。
In the solar cell of this embodiment, the thickness of a photoelectric conversion layer mainly composed of a III-V group compound semiconductor is sufficiently reduced, and light corresponding to the band gap of the photoelectric conversion layer is absorbed to generate power. , Having a function of transmitting light having a longer wavelength than the light corresponding to the band gap. In general, the thickness of the photoelectric conversion layer is required to be about 2.5 μm or less in order to develop the function, but another solar cell is connected in series (tandem) to form a stack type solar cell. In consideration of the conversion efficiency of the stacked solar cell (hereinafter also referred to as a tandem solar cell), a photoelectric conversion layer composed of a
本実施形態において、上記光電変換層の厚さとコンタクト層103の厚さとの合計(以下、トータル層厚ともいう)は、3μm以上であることが好ましい。すなわち、光電変換層の厚さを1〜2μmとした場合、コンタクト層の厚さを2〜1μm以上とし、トータル層厚を3μm以上とすることが好ましい。トータル層厚が3μm未満である場合、トータル層厚が薄くなるに従い、急激に光電変換層の割れやしわの発生率が上昇する。 In the present embodiment, the total of the thickness of the photoelectric conversion layer and the thickness of the contact layer 103 (hereinafter also referred to as total layer thickness) is preferably 3 μm or more. That is, when the thickness of the photoelectric conversion layer is 1 to 2 μm, the thickness of the contact layer is preferably 2 to 1 μm or more, and the total layer thickness is preferably 3 μm or more. When the total layer thickness is less than 3 μm, the rate of occurrence of cracks and wrinkles in the photoelectric conversion layer increases rapidly as the total layer thickness decreases.
図2は、本実施形態に係る太陽電池における、光電変換層とコンタクト層とのトータル層厚と割れ、しわ発生率との関係を示すグラフである。図2から明らかなように、トータル層厚が3μm未満の場合、トータル層厚の減少とともに、急激に光電変換層の割れ、しわの発生率が上昇することがわかる。なお、割れ、しわの発生率は、光電変換層の厚さを1.55μmで一定とし、コンタクト層の厚さを種々変化させて測定したものである。割れ、しわの発生率の測定は、具体的には次のようにして行なった。4’’サイズのGaAs基板5枚に対して図1の構造で1cm×1cm角のセルを基板1枚当たり60個、計300個作製し、トンネル接合層104を櫛形状にエッチングした後に目視あるいは顕微鏡で観察し、割れ、しわの発生したセル数の割合を求めて測定した。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the total layer thickness of the photoelectric conversion layer and the contact layer, cracks, and wrinkle generation rate in the solar cell according to the present embodiment. As can be seen from FIG. 2, when the total layer thickness is less than 3 μm, the rate of occurrence of cracks and wrinkles in the photoelectric conversion layer increases rapidly as the total layer thickness decreases. The occurrence rate of cracks and wrinkles was measured by making the thickness of the photoelectric conversion layer constant at 1.55 μm and variously changing the thickness of the contact layer. Specifically, the occurrence rate of cracks and wrinkles was measured as follows. A total of 300 cells of 1 cm × 1 cm square with a structure of FIG. 1 are manufactured on five 4 ″ -size GaAs substrates per substrate, and the
トータル層厚の上限については特に制限はないが、コンタクト層を厚くするほど製造材料費が増加することを考慮すると、5μm程度以下とすることが好ましい。 Although there is no restriction | limiting in particular about the upper limit of total layer thickness, Taking into consideration that manufacturing material cost increases, so that a contact layer is thickened, it is preferable to set it as about 5 micrometers or less.
本実施形態において、コンタクト層103は、主としてGaPからなるものである。ここで、「主としてGaPからなる」とは、光電変換層のバンドギャップより十分に大きい範囲で、他の成分、たとえばAl、In等を含んでいてもよいことを意味する。上述のように、コンタクト層を主としてGaPから構成することにより、光電変換層で吸収されるべき波長帯およびそれより長波長帯の光を損失させることなく透過させることができる。
In the present embodiment, the
コンタクト層は、主としてGaPからなる限り、他の成分を含有していてもよい。当該他の成分として、たとえばAl、In等を挙げることができる。すなわち、コンタクト層は、AlxGa1-x-yInyPから構成することができる。 The contact layer may contain other components as long as it is mainly composed of GaP. Examples of the other components include Al and In. That is, the contact layer can be made of Al x Ga 1 -xy In y P.
図3は、本実施形態に係る太陽電池における、コンタクト層の組成と比抵抗との関係を示すグラフであり、図3(a)は、コンタクト層の組成をAlxGa1-x-yInyPとしたときの、Al組成比xとコンタクト層の比抵抗との関係を示すグラフ、図3(b)は、コンタクト層の組成をAlxGa1-x-yInyPとしたときの、In組成比yとコンタクト層の比抵抗との関係を示すグラフである。なお、図3(a)は、In組成比y=0.05の条件で測定したものであり、図3(b)は、Al組成比x=0.05の条件で測定したものである。コンタクト層は、光電変換層で吸収されるべき波長帯およびそれより長波長帯の光を損失させることなく透過させるためには、InGaPからなる光電変換層以上のバンドギャップを有していればよいと考えられるが、InGaPに対してできるだけバンドギャップ差が大きい方がよい。この点を考慮すると、GaAs基板に格子整合する最大バンドギャップのAlInP材料と同等以上のバンドギャップを有すれば充分と考えられるので、コンタクト層をAlxGa1-x-yInyPとした場合、xは0〜1.0であり、yは概ね0〜0.2であることが好ましいと考えられる。ただし、図3(a)および(b)に示されるように、x、yともに0.1より大きくなると、コンタクト層の比抵抗が著しく大きくなり、コンタクト層として適さないと判断される。したがってxおよびyは、それそれ0.1以下とすることが望ましい。なお、コンタクト層の比抵抗の測定は、具体的には次のようにして行なった。すなわち、GaAs基板の上に、n−AlxGa1-x-yInyP層を1μm形成した評価用サンプルを作製し、4端子によるシート抵抗測定器を用いて測定した。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the composition of the contact layer and the specific resistance in the solar cell according to the present embodiment. FIG. 3A shows the composition of the contact layer as Al x Ga 1-xy In y P. FIG. 3B is a graph showing the relationship between the Al composition ratio x and the contact layer resistivity, and FIG. 3B shows the In composition when the contact layer composition is Al x Ga 1 -xy In y P. It is a graph which shows the relationship between ratio y and the specific resistance of a contact layer. 3A is measured under the condition of In composition ratio y = 0.05, and FIG. 3B is measured under the condition of Al composition ratio x = 0.05. The contact layer only needs to have a band gap larger than that of the photoelectric conversion layer made of InGaP in order to transmit light in the wavelength band to be absorbed by the photoelectric conversion layer and light in a longer wavelength band without loss. Although it is considered that the band gap difference is as large as possible with respect to InGaP. Considering this point, it is considered sufficient to have a band gap equal to or greater than that of the AlInP material having the maximum band gap lattice-matched to the GaAs substrate. Therefore, when the contact layer is Al x Ga 1 -xy In y P, It is considered preferable that x is 0 to 1.0 and y is generally 0 to 0.2. However, as shown in FIGS. 3A and 3B, when both x and y are greater than 0.1, the specific resistance of the contact layer is remarkably increased, and it is determined that the contact layer is not suitable. Therefore, x and y are each preferably 0.1 or less. The specific resistance of the contact layer was specifically measured as follows. That is, on a GaAs substrate, an n-Al x Ga 1-xy In y P layer to prepare a sample for evaluation was 1μm formed, was measured using a sheet resistance meter by 4 pins.
本実施形態において、各層のドーパントは従来公知のものを用いることができる。また、そのキャリア濃度についても、特に制限されるものではなく、直列抵抗やキャリア拡散長等を考慮して適宜選択されるものである。たとえば、n−GaPからなるコンタクト層103がSiドープされている場合、そのキャリア濃度は、たとえば、3×1018〜1×1019cm-3程度とすることができる。また、p−InGaPからなるベース層101がZnドープされている場合、そのキャリア濃度は、たとえば、1×1017〜5×1017cm-3程度とすることができる。n−InGaPからなるエミッタ層102がSiドープされている場合、そのキャリア濃度は、たとえば、1×1018〜5×1018cm-3程度とすることができる。
In this embodiment, a conventionally well-known thing can be used for the dopant of each layer. Further, the carrier concentration is not particularly limited, and is appropriately selected in consideration of series resistance, carrier diffusion length, and the like. For example, when the
本実施形態の太陽電池の製造方法は、特に限定されるものではないが、たとえば以下のようにして製造することができる。図4は、図1に示される太陽電池の製造方法の好ましい一例を示す概略工程図であり、各工程における太陽電池中間物の概略断面図を示すものである。まず、たとえばGaAsからなる基板401上に、たとえばn−InGaPからなるエッチングストップ層402、p+−GaAs/n+−GaAsからなるトンネル接合層104、p−InGaPからなるベース層101およびn−InGaPからなるエミッタ層102、n−GaPを主成分とするコンタクト層103をこの順に形成する(図4(a))。
Although the manufacturing method of the solar cell of this embodiment is not specifically limited, For example, it can manufacture as follows. FIG. 4 is a schematic process diagram showing a preferred example of the method for manufacturing the solar cell shown in FIG. 1, and shows a schematic cross-sectional view of a solar cell intermediate in each process. First, on a
その後、コンタクト層103上に、図10の方法と同様にして、パッド部分と櫛型状部分から構成される電極105を、たとえばAuGe/Ni/Au/Ag/Auで形成した後、該パッド部分にインターコネクター107を溶接し、Si系樹脂等でカバーガラス109に貼り付ける(図4(b))。ついで、アンモニア系のエッチング液等を用いて、基板401をエッチングする(図4(c))。エッチングは、エッチングストップ層402でストップするので、その後に、エッチングストップ層402をHCl系のエッチング液で除去する(図4(d))。最後に、図10の方法と同様にして、裏面側のトンネル接合層104を櫛型状にエッチングで除去し、電極106を形成し、パッド部分にインターコネクター108を溶接して、図1に示される太陽電池を得る(図4(e))。
Thereafter, an
<第2の実施形態>
図5は、本発明の第2の実施形態に係る太陽電池の一例を示す概略断面図である。図5に示される太陽電池は、p−InGaPからなるベース層501およびn−InGaPからなるエミッタ層502からなる光電変換層、n−GaPからなるコンタクト層503、および裏面側に形成されたp+−GaAs/n+−GaAsからなるトンネル接合層504、インターコネクター507、508、およびカバーガラス509から構成される、上記第1の実施形態に係る太陽電池と同様の構成の太陽電池(以下、太陽電池(A)ともいう)の下に、Si太陽電池(バックコンタクト型)510(以下、太陽電池(B)ともいう)を設置してタンデム型の構造とした、スタック型太陽電池である。ここで、Si太陽電池510が光電変換層のバンドギャップは、上記p−InGaPからなるベース層501およびn−InGaPからなるエミッタ層502からなる光電変換層のバンドギャップより小さくしているので、太陽電池(A)を透過した、該太陽電池(A)の光電変換層のバンドギャップに相当する光より長波長の光は、太陽電池(B)の光電変換層によって吸収され、変換効率が大きく向上している。
<Second Embodiment>
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of a solar cell according to the second embodiment of the present invention. The solar cell shown in FIG. 5 has a
図6は、本実施形態に係る太陽電池における、太陽電池(A)が有するInGaPからなる光電変換層の厚さと変換効率との関係を示すグラフであり、太陽電池(A)におけるp−InGaPからなるベース層501およびn−InGaPからなるエミッタ層502からなる光電変換層と、n−GaPからなるコンタクト層503とのトータル層厚を3.5μmとして、該光電変換層の厚さを0.5〜2.5μmの間で変化させたときのタンデム型太陽電池全体、および太陽電池(A)、(B)それぞれの変換効率を示すグラフである。図6に示されるように、太陽電池(A)の光電変換層の厚さが1μmより薄い場合には、太陽電池(A)の変換効率が低下することがわかる。また、太陽電池(A)の光電変換層の厚さが2μmより厚い場合には、光電変換層の自由キャリアによる吸収の影響を受け、太陽電池(A)を透過する長波長光が減少し、太陽電池(B)の変換効率が低下することがわかる。したがって、太陽電池(A)の光電変換層の厚さは、1〜2μmであることが好ましい。この範囲内であれば、タンデム型太陽電池全体の変換効率を高くすることができる。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the conversion efficiency and the thickness of the photoelectric conversion layer made of InGaP included in the solar cell (A) in the solar cell according to the present embodiment, from p-InGaP in the solar cell (A). The total thickness of the photoelectric conversion layer made of the
なお、上記変換効率の測定は、具体的には次のようにして行なった。ソーラーシミュレーターの光源をAM1.5の条件に設定し、1SUN(100mW/cm2)でタンデム型太陽電池に照射し、太陽電池(A)、(B)の個々の電極からインターコネクターを通して出力を取り出し、太陽電池(A)、(B)個々について変換効率を測定した。タンデム型太陽電池の変換効率は太陽電池(A)および(B)の変換効率を足し合わせたものとした。 The conversion efficiency was specifically measured as follows. The light source of the solar simulator is set to AM 1.5 conditions, the tandem solar cell is irradiated with 1 SUN (100 mW / cm 2 ), and the output is taken out from the individual electrodes of the solar cells (A) and (B) through the interconnector. The conversion efficiency was measured for each of the solar cells (A) and (B). The conversion efficiency of the tandem solar cell is the sum of the conversion efficiencies of the solar cells (A) and (B).
<第3の実施形態>
図7は、本発明の第3の実施形態に係る太陽電池の一例を示す概略断面図である。図7に示される太陽電池は、n−Gapからなるコンタクト層703と、p−InGaPからなるベース層701およびn−InGaPからなるエミッタ層702より構成される光電変換層との間に、n−AlGaInPからなる中間層711を設けたこと以外は、上記第1の実施形態に係る太陽電池と同様の構成を有する。
<Third Embodiment>
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example of a solar cell according to the third embodiment of the present invention. The solar cell shown in FIG. 7 has an n− gap between a
ここで、本実施形態において中間層711は、n−GaPからなるコンタクト層703と、p−InGaPからなるベース層701およびn−InGaPからなるエミッタ層702より構成される光電変換層との中間のバンドギャップおよび格子定数を有する、n−AlGaInPより構成されるが、中間層材料は、コンタクト層のバンドギャップおよび格子定数と、光電変換層のバンドギャップおよび格子定数の間のバンドギャップおよび格子定数を有するものであればよい。そのような材料としては、AlGaInPのほか、たとえばGaInP、AlInP、AlGaInPAs、GaInPAs、AlInPAs等を挙げることができる。
Here, in the present embodiment, the
図8は、n−GaPコンタクト層/n−InGaP光電変換層のヘテロ接合およびn−GaPコンタクト層/n−AlGaInP中間層/n−InGaP光電変換層のヘテロ接合におけるバンド状態を示す概念図である。図8(a)および(b)は、それぞれn−GaPコンタクト層とn−InGaP光電変換層とがヘテロ接合される前および後のバンド状態を示したものである。n−GaPとn−InGaPは、真空準位に対する伝導帯の下端(Ec)と価電子帯の上端(Ev)の位置がタイプIIと呼ばれる位置関係にあり、接合時に伝導帯、価電子帯共にヘテロ界面で大きなノッチ(それぞれΔEc、ΔEv)を生じる(図8(b))。本組合せでは、伝導帯の界面でのノッチΔEcは約0.39eV、価電子帯の界面でのノッチΔEvは約0.03eVである。n−GaP/n−InGaPの接合界面における約0.39eVの大きな伝導体のノッチは、電子に対する障壁(抵抗)となる可能性があるため、界面におけるコンタクト層および光電変換層のキャリア濃度を3×1018cm-3以上の高濃度にしてノッチ間をトンネル電流が流れる状態にして抵抗を下げる必要がある。しかし、このようにキャリア濃度を高濃度とすると、自由キャリアによる光吸収量が増大するため、下層の光電変換層に入射する光強度が減少し太陽電池セルの出力電流の低下を招くといった問題がある。 FIG. 8 is a conceptual diagram showing a band state in a heterojunction of n-GaP contact layer / n-InGaP photoelectric conversion layer and a heterojunction of n-GaP contact layer / n-AlGaInP intermediate layer / n-InGaP photoelectric conversion layer. . FIGS. 8A and 8B show band states before and after the n-GaP contact layer and the n-InGaP photoelectric conversion layer are heterojunction, respectively. In n-GaP and n-InGaP, the positions of the lower end (Ec) of the conduction band and the upper end (Ev) of the valence band with respect to the vacuum level are in a positional relationship called type II. Large notches (ΔEc and ΔEv, respectively) are generated at the heterointerface (FIG. 8B). In this combination, the notch ΔEc at the conduction band interface is about 0.39 eV, and the notch ΔEv at the valence band interface is about 0.03 eV. A notch of a large conductor of about 0.39 eV at the n-GaP / n-InGaP junction interface may become a barrier (resistance) against electrons, so the carrier concentration of the contact layer and the photoelectric conversion layer at the interface is 3 It is necessary to reduce the resistance by setting a high concentration of × 10 18 cm −3 or more so that a tunnel current flows between the notches. However, when the carrier concentration is set to a high concentration in this way, the amount of light absorption by free carriers increases, so that the intensity of light incident on the lower photoelectric conversion layer decreases and the output current of the solar battery cell decreases. is there.
上記問題を解消すべく、本実施形態では、コンタクト層と光電交換層との間に中間層を設けるものである。すなわち、ヘテロ接合をn−GaP(コンタクト層703)/n−AlGaInP(中間層711)/n−InGaP(光電変換層)の構成とすることにより、図8(c)に示されるように、ノッチは各界面に2分割され(0.39eVのノッチが0.20eVおよび0.19eVのノッチに分割される)、界面におけるコンタクト層および光電変換層のキャリア濃度を3×1018cm-3以下としても抵抗は上がらない。 In order to solve the above problem, in this embodiment, an intermediate layer is provided between the contact layer and the photoelectric exchange layer. That is, by forming the heterojunction as n-GaP (contact layer 703) / n-AlGaInP (intermediate layer 711) / n-InGaP (photoelectric conversion layer), as shown in FIG. Is divided into two at each interface (0.39 eV notch is divided into 0.20 eV and 0.19 eV notches), and the carrier concentration of the contact layer and photoelectric conversion layer at the interface is 3 × 10 18 cm −3 or less. But resistance doesn't go up.
<第4の実施形態>
図11は、本発明の第4の実施形態に係る太陽電池の一例を示す概略断面図である。図11に示される太陽電池は、図1に示される上記第1の実施形態に係る太陽電池の構造と比較して、GaPコンタクト層の導電型を逆転し、該GaPコンタクト層を光電変換層の下方に配した構造を有する。より詳しくは、p−InGaPからなるベース層1101およびn−InGaPからなるエミッタ層1102から構成される光電変換層、表面側に形成されたp+−GaAs/n+−GaAsからなるトンネル接合層1104、およびp−GaPからなるコンタクト層1103を有している。トンネル接合層1104は、パッド部分と櫛型状部分を残してエッチング除去されており、p−GaPコンタクト層1103は全面に形成されている。コンタクト層1103およびトンネル接合層1104の上には、電極1105、1106がそれぞれ形成されている。また、電極1105および電極1106のパッド部分には、それぞれインターコネクター1107、1108が溶接され、表面側はシリコン系の樹脂等によりカバーガラス1109が接着されている。このような構成によっても第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
<Fourth Embodiment>
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing an example of a solar cell according to the fourth embodiment of the present invention. The solar cell shown in FIG. 11 reverses the conductivity type of the GaP contact layer as compared with the structure of the solar cell according to the first embodiment shown in FIG. It has a structure arranged below. More specifically, a photoelectric conversion layer composed of a
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited to these.
<実施例1>
図1に示される構造のIII−V族化合物半導体太陽電池を図4に示す方法により作製した。まず、GaAsからなる基板401上に、n−InGaPからなるエッチングストップ層402(0.2μm厚、Siドープ:2×1017cm-3)、p+−GaAs/n+−GaAsからなるトンネル接合層104(それぞれ、0.05μm厚/0.25μm厚、Cドープ:2×1019cm-3/Teドープ:5×1019cm-3)、p−InGaPからなるベース層101(1.5μm厚、Znドープ:2×1017cm-3)およびn−InGaPからなるエミッタ層102(0.05μm厚、Siドープ:2×1018cm-3)および、n−GaPを主成分とするコンタクト層103(2.0μm厚、Siドープ:5×1018cm-3)をこの順に形成した(図4(a))。
<Example 1>
A III-V compound semiconductor solar cell having the structure shown in FIG. 1 was produced by the method shown in FIG. First, an n-InGaP etching stop layer 402 (0.2 μm thickness, Si-doped: 2 × 10 17 cm −3 ), p + -GaAs / n + -GaAs tunnel junction is formed on a
その後、コンタクト層103上に、図10の方法と同様にして、パッド部分と櫛型状部分から構成される電極105を、AuGe/Ni/Au/Ag/Auで形成した後、該パッド部分にインターコネクター107を溶接し、Si系樹脂でカバーガラス109に貼り付けた(図4(b))。ついで、アンモニア系のエッチング液を用いて、基板401をエッチングした(図4(c))。その後、エッチングストップ層402をHCl系のエッチング液で除去した(図4(d))。最後に、図10の方法と同様にして、裏面側のトンネル接合層104を櫛型状にエッチングで除去し、電極106を形成し、パッド部分にインターコネクター108を溶接して、図1に示される太陽電池を得た(図4(e))。
Thereafter, an
基板401のエッチング除去時、およびトンネル接合層104のエッチング時に割れやしわの発生は全くなかった。また、本実施例の太陽電池をAM1.5下で、上記測定方法にて変換効率を測定したところ、18.0%であった。
No cracks or wrinkles were generated when the
<実施例2>
実施例1の太陽電池の下にSi太陽電池(バックコンタクト型)を設置して、図5に示されるタンデム型の太陽電池を作製した。実施例1のInGaP光電変換層を有する太陽電池を透過したAM1.5の光に対するSi太陽電池の変換効率を測定したところ、10.5%であり、タンデム型全体で、28.5%の効率が得られた。
<Example 2>
A Si solar cell (back contact type) was installed under the solar cell of Example 1, and a tandem solar cell shown in FIG. 5 was produced. When the conversion efficiency of the Si solar cell with respect to AM1.5 light transmitted through the solar cell having the InGaP photoelectric conversion layer of Example 1 was measured, it was 10.5%, and the efficiency of the tandem type was 28.5%. was gotten.
<実施例3>
実施例1と同様の方法を用いて、図7に示される、n−GaPからなるコンタクト層703と、光電変換層(p−InGaPからなるベース層701およびn−InGaPエミッタ層よりなる)との間にn−AlGaInPからなる中間層711を有する太陽電池を作製した。各層の厚さおよびキャリア濃度は、以下の層以外は、実施例1と同じとした。コンタクト層703:層厚2.0μm、Siドープ。キャリア濃度は、上(電極705側)の0.4μmのみ5×1018cm-3とし、下(中間層711側)の1.6μmについては1×1018cm-3とした(中間層711:層厚0.1μm、Siドープ:1×1018cm-3)。
<Example 3>
Using a method similar to that of Example 1, the
基板のエッチング除去時、およびトンネル接合層704のエッチング時に割れやしわの発生は全くなかった。また、本実施例の太陽電池をAM1.5下で、上記測定方法にて変換効率を測定したところ、18.3%であった。
When the substrate was removed by etching and when the
<実施例4>
図11に示される構造のIII−V族化合物半導体太陽電池を、実施例1と同様の方法により作製した。各層の構成は、以下のとおりとした。p−InGaPベース層1101(1.5μm厚、Znドープ:2×1017cm-3)、n−InGaPエミッタ層1102(0.05μm厚、Siドープ:2×1018cm-3)、p−GaPコンタクト層1103(2.0μm厚、Znドープ:5×1018cm-3)、p+−GaAs/n+−GaAsからなるトンネル接合層1104(それぞれ、0.05μm厚/0.25μm厚、Cドープ:2×1019cm-3/Teドープ:5×1019cm-3)。
<Example 4>
A group III-V compound semiconductor solar cell having the structure shown in FIG. 11 was produced in the same manner as in Example 1. The configuration of each layer was as follows. p-InGaP base layer 1101 (1.5 μm thick, Zn doped: 2 × 10 17 cm −3 ), n-InGaP emitter layer 1102 (0.05 μm thick, Si doped: 2 × 10 18 cm −3 ), p− GaP contact layer 1103 (2.0 μm thickness, Zn doping: 5 × 10 18 cm −3 ),
基板のエッチング除去時、およびトンネル接合層1104のエッチング時に割れやしわの発生は全くなかった。また、本実施例の太陽電池をAM1.5下で、上記測定方法にて変換効率を測定したところ、18.0%であった。
When the substrate was removed by etching and when the
<比較例1>
図9に示される構造の太陽電池を図10の方法により作製した。各層の構成は、以下のとおりとした。p−InGaPベース層901(1.5μm厚、Znドープ:2×1017cm-3)、n−InGaPエミッタ層902(0.05μm厚、Siドープ:2×1018cm-3)、n−GaAsコンタクト層903(0.4μm厚、Teドープ:5×1018cm-3)、p+−GaAs/n+−GaAsからなるトンネル接合層904(それぞれ、0.05μm厚/0.25μm厚、Cドープ:2×1019cm-3/Teドープ:5×1019cm-3)。また、図10において、基板にはGaAs、エッチングストップ層1002にはn−InGaP(0.2μm厚、Siドープ:2×1017cm-3)を用いた。この太陽電池をAM1.5下で、上記測定方法にて変換効率を測定したところ、17.0%であった。
<Comparative Example 1>
A solar cell having the structure shown in FIG. 9 was produced by the method of FIG. The configuration of each layer was as follows. p-InGaP base layer 901 (1.5 μm thick, Zn doped: 2 × 10 17 cm −3 ), n-InGaP emitter layer 902 (0.05 μm thick, Si doped: 2 × 10 18 cm −3 ), n− GaAs contact layer 903 (0.4 μm thick, Te-doped: 5 × 10 18 cm −3 ),
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
101,501,701,1101 ベース層、102,502,702,1102 エミッタ層、103,503,703,1103 コンタクト層、104,504,704,1104 トンネル接合層、105,106,505,506,705,706,1105,1106 電極、107,108,507,508,707,708,1107,1108 インターコネクター、109,509,709,1109 カバーガラス、401 基板、402 エッチングストップ層、510 Si太陽電池(バックコンタクト型)、711 中間層。 101, 501, 701, 1101 Base layer, 102, 502, 702, 1102 Emitter layer, 103, 503, 703, 1103 Contact layer, 104, 504, 704, 1104 Tunnel junction layer, 105, 106, 505, 506, 705 , 706, 1105, 1106 electrode, 107, 108, 507, 508, 707, 708, 1107, 1108 interconnector, 109, 509, 709, 1109 cover glass, 401 substrate, 402 etching stop layer, 510 Si solar cell (back Contact type), 711 intermediate layer.
Claims (6)
前記光電変換層上に形成されたコンタクト層と、
前記コンタクト層の表面の少なくとも一部に形成された電極と、を含む太陽電池であって、
前記コンタクト層は、主としてGaPからなり、
前記光電変換層の厚さは2.5μm以下であることを特徴とする太陽電池。 A photoelectric conversion layer mainly composed of a III-V compound semiconductor;
A contact layer formed on the photoelectric conversion layer;
An electrode formed on at least a part of the surface of the contact layer, and a solar cell comprising:
The contact layer is mainly made of GaP,
The photovoltaic cell, wherein the photoelectric conversion layer has a thickness of 2.5 μm or less.
前記中間層のバンドギャップおよび格子定数は、前記光電変換層のバンドギャップおよび格子定数と、前記コンタクト層のバンドギャップおよび格子定数との間にあることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の太陽電池。 Further comprising an intermediate layer between the photoelectric conversion layer and the contact layer,
The band gap and the lattice constant of the intermediate layer are between the band gap and the lattice constant of the photoelectric conversion layer and the band gap and the lattice constant of the contact layer, respectively. The solar cell as described in.
前記太陽電池(B)が有する光電変換層のバンドギャップは、前記太陽電池(A)が有する光電変換層のバンドギャップより小さいスタック型太陽電池。 A stack type solar cell having a solar cell (B) connected in series to the solar cell (A) according to claim 1,
The solar cell (B) has a photoelectric conversion layer having a band gap smaller than that of the photoelectric conversion layer of the solar cell (A).
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